宇宙浩渺无限，蕴含着无穷的奥秘，从 138 亿年前诞生，宇宙经过百亿年的演化，宇宙已经成为一个由层次结构的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。
行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。约2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。星系聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。若干星系团集聚在一起构成的更高一层次的天体系统叫超星系团。
其中，科学家根据可反映星系发展状态的序列号对星系进行了分类，可以粗略地将星系划分出椭圆星系、透镜星系、漩涡星系、棒旋星系和不规则星系等五种。
但从外观形态上看，则可归结为三大类型：扁率各不相同的椭圆星系；形同水中旋涡、具有两条或更多条螺线状“旋臂”的旋涡星系；形状不定的不规则星系
旋涡星系是观测到的数量最多、外形最美丽的一种星系；它的形状很像江河中的旋涡，因而得名。这类星系在其对称面附近含有大量的弥漫物质，从正面看，形状像旋涡；从侧面看，便呈梭状。仙女座星云、三角座星云都是这种类型的河外星系。
漩涡星系拥有螺旋臂，因为漩涡星系拥有为数众多的恒星，并且在重力的作用下形成相对是扁平的盘面。这个盘面不停地旋转着，并且在中心聚集着比外缘更多的恒星，以更高的速度在移动。这样的结果导致从星系之外的上方或下方观察，会看见恒星形成螺旋臂的形式。
那两条明显紫红色的就是螺旋臂
银河星系也是属于漩涡星系，共有4条旋臂。包含一、二千亿颗恒星。
在很久以前，人类就对宇宙星辰产生了很大的兴趣，并且诞生了占星师这样的职业，但是因为设备的限制，人们总是很难近距离地对宇宙进行观测，所以难免会存在偏差。
1609年意大利科学家伽利略·伽利雷发明了40倍双镜望远镜，这是第一部投入科学应用的实用望远镜。自此之后，宇宙星辰尽收纳于眼中。
伽利略首先用望远镜观测银河，发现银河由恒星组成。而后，T.赖特、I.康德、J.H.朗伯等认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统。
18世纪后期，F.W.赫歇尔用自制的反射望远镜开始恒星计数的观测，以确定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘状，太阳离盘中心不远。
扁盘状
而到了 1845年，罗斯在观测猎犬座星系M51时发现旋涡星系存在，并且发现了漩涡星系存在的螺旋臂，后来科学家对螺旋臂进一步观察，发现旋臂都在恒星富集之处，主要成员大都是明亮的年轻恒星，以及由之产生的稠密气体——尘埃云，其中有许多电离状态的氢云（即电离氢区）。新的恒星以特别高的速率在旋臂处生成，堪称恒星的摇篮。
随着人们对宇宙的观测不断加深，漩涡星系的螺旋臂让科学家疑惑不解，螺旋臂是由星系的核心延伸出来的漩涡和棒涡组成的区域。这些长且薄的区域类似漩涡，漩涡星系星系也因此而得名。然而漩涡星系是由几十亿乃至几千亿颗恒星构成的，此外还有大量的星际气体和尘埃物质。旋涡星系的自转是较差自转，当它们环绕星系中心作旋转运动时，星系最外围(边缘)的恒星运动得比接近中心的恒星更快，内部的自转角速度大于外部的角速度，旋臂本应当越缠越紧，最终完全缠绕在一起，最终使旋臂消失殆尽。
但是现实中并未出现这样的情况，科学家就很好奇星系是如何维护他们的漩涡结构的，这就是天体物理学界著名的“缠卷疑难”问题。
有人认为维持旋涡结构的力量来自星际磁场，认为恒星就像磁场里的铁粉呈花纹状排列。但观测和演算结果都显示磁场强度不足以维持这种奇特的结构。
而 20 世纪四十年代，天文学家林德布拉德看见一群海鸥掠过水面，激起了无数涟漪。灵光一闪，由此，星系旋臂结构形成的著名假说——“密度波理论”就诞生了。林德布拉德提出如果把星系比作流体而不是刚体，把星系里的无数恒星比作旋涡运动的水分子，那旋臂结构可以看成是种流体波，即密度波或压缩波。旋臂并非刚性的物质臂，而是由于路经这些区域的恒星和星际气体以及尘埃因引力作用而密集，密度加大而速度减慢，过了旋臂则因密度减小而加快了速度。旋臂中的“居民”不是一成不变的，而是川流不息的。这就解释了星系旋臂不产生缠绕的原因。
其中密度波是指使旋涡星系宏观图像保持准稳状态的物质密度和速度的波动。
但是林德布拉德的理论还存在着许多的问题，真正系统提出密度波理论的则是林家翘。
林家翘可以说是一位全能型的科学家，他在流体力学、天体物理等方向上取得了举世公认的成就，而且为是应用数学学派的领路人。大家可以看看他的贡献，在世界科学史上都占有非常重要的地位：
林家翘在20世纪40年代提出的流动稳定性和湍流理论，解决了困扰科学界多年的“海森堡猜测”问题。他和西奥多·冯·卡门一起提出了均匀各向同性湍流的谱理论，对早期湍流统计理论的发展具有重要影响。
林家翘发展了解析特征线法和WKBJ方法。在数学理论方面，他也有些贡献，其中最突出的是他证明了一类微分方程中的存在定理，用来彻底解决海森伯格论文中所引起的长期争议。
在人才培养上，他为中国培养了著名的天文学家徐遐生教授
当时林家翘对于林德布拉德的密度波理论表示认同，凭借着自己在数学上深厚的功底，林家翘经过艰苦的计算，他建立了螺旋密度波理论。按照该理论，旋臂是恒星、尘埃等天体绕星系中心运动时空间分布较密集的区域，两个旋臂之间较暗的部分，则只有较少的天体。组成旋臂的天体并非始终处于旋臂中，而是有进有出。换句话说，人们看到的旋臂，是密布其中的恒星发出的光，而非星系长出的“肢体”。
林家翘在讲解螺旋密度波理论
林家翘指出旋涡结构并不是永远由同一批物质组成。它实质上是物质集中处低引力势区的波动状图案。恒星并不是永远停留在旋臂上。恒星按照近于圆形的轨道绕星系中心旋转。在运动过程中，恒星将进入，然后再走出旋臂。恒星进入旋臂后由于旋臂区恒星密集和引力场强而减慢速度。但另一方面，速度的减慢又使恒星挤在一起 ，密度增大，引力场加强 ，因此，一旦出现了旋臂图案，这种图案将自行维持。
换句话说，旋臂由密度波波峰的迹线构成。波形图案并不与物质相联，而是以不同的角速度运动。相对运动速度平均约30千米/秒。正是这种运动维持了旋涡星系的规整外貌，也解决了固定物质旋臂因较差自转带来的缠绕困难。
准稳态密度波理论预言的年老恒星旋臂和气体旋臂的位置偏移
而恒星进入旋臂引力势阱后，在那里停留一段时间再随轨道运动出来。星际气体在进入悬臂时受到突然压缩，可能触发恒星形成，林家翘的密度波理论成功地解释了明亮年轻恒星集中分布在悬臂上的现象。
他还建立了密度波理论模型，通过将数值带入模型，漩涡星系的螺旋臂都能与理论模型相吻合，当时大家都认为猎户座是银河系的主旋臂，所以当时著名天文学家袁旗算出了一个数值，然而将这个数值代入理论模型后，银河系的猎户臂始终无法与理论模型吻合。
林家翘则提出，猎户臂不是银河系的主旋臂，而是一个枝节，因此不完全适用于模型。林家翘的言论打破了当时天文学界的固有印象，但是后来经过仔细观测，林家翘的言论得到了证实，如今，这一论断已被天文学界广泛接受。
随着越来越多的观测数据对林家翘的密度波理论的支持，如今，密度波理论已经成为了解释星系旋涡结构的理论。
密度波理论对于天文学的研究具有非常重要的意义，要知道在天文学界对于漩涡星系的演化过程的模拟，漩涡结构的维持一直是一个非常困难的事情，困扰了天文学家很久，而密度波理论则成功解释了这一问题，它还进一步被用于研究棒旋星系，并对哈勃提出的星系分类给予了统一的力学解释，1996年，还成功解释了NGC 6946中间螺旋星系的巨大螺旋臂，密度波理论还成功论证了太阳系对称的八大行星模式。
密度波理论有助于我们了解星系的起源、演化和稳定性问题，从而洞悉宇宙这百亿年来的演化及运行法则。
而在在密度波理论的创建过程中，林家翘还发现，密度波与湍流存在某种规律相似性。这意味着，长达几万、十几万光年的旋臂，可能与地球上随处可见的水、空气有着相同的运动规律。
林家翘这个时候就开始思考，既然如此，在这千变万化的物质世界里，有没有一种理论，包含着“造物主”所有的奥秘，描述着自然界一切现象的最本质规律？
找到自然界不同现象背后的大一统规律——这就是所有科学家们的终极之梦。林家翘后半生一直都在朝着这个方向努力。
他曾说：“物理学所有的定理都可以用数学公式在一张纸上表示出来。人类的智慧坚持用简单的概念阐明科学的基本问题，所有的科学问题在本质上都是简单而有序的。”
但是因为年纪老迈，精力不够，心有余而力不足，林家翘留给科学界的这份巨大礼物——密度波理论，谁能够从中找到自然界一切现象的最本质规律呢？
本文选自：今日头条 | 
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发表于 2019-8-15 22:09:53
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